Physical, geochemical and microbial parameters driving the improvement of water quality in managed aquifer recharge

Abstract

Worldwide water demand has been increasing over time, mainly due to population growth and society development. In addition, climate change is causing a significant alteration of the periodicity and intensity of precipitation and climate related events. All this implies significant challenges for a sustainable exploitation of water resources specially during water scarcity periods. Therefore, Managed Aquifer Recharge (MAR) represents a feasibly solution to deal with future water management challenges through the storage of available water in aquifers. The present dissertation is focused on the study of microbial, biogeochemical and physical processes related to MAR ponds, regarding both quantity and quality aspects. The knowledge about these processes has allowed to identify key issues affecting the correct operation of infiltration ponds, laying the foundations for the optimization of quantity and quality targets. Two different sites in Llobregat River Basin were chosen as a investigation framework. The first part of this thesis was developed in Sant Vicenç dels Horts MAR system (Barcelona), where an innovative treatment for emerging contaminants had been proved successfully. A reactive layer was put in the bottom of infiltration pond, promoting different redox conditions below the pond and enhancing the removal of dissolved organic matter as well as emergent organic contaminants. In this thesis, further work has been carried out, by investigating the role of microbial community in this removal, by means of a microbial fingerprinting study between two different scenarios. Which were (1) when no-recharge was present and (2) during a long recharge period. The microbial fingerprinting study confirmed that microbial diversity during recharge period fitted in Intermediate Disturbance Hypothesis approach. Furthermore, sequencing of prominent bands evidenced the presence of principally degradative-like microorganisms during recharge. A multivariate statistical analysis including hydrochemical, soil grain-size distribution, operational and microbial variables was also performed. Most relevant variables affecting microbial populations were identified. Likewise, the correlations between some microbial prints in the system revealed the presence of some classes and species involved in biodegradation pathways. The second investigation was focused on the study of redox processes from the infiltration pond to the aquifer, passing through the vadose zone. The study was placed in Castellbisbal MAR system (Barcelona). This facility has a conventional surface infiltration pond without the effect of the reactive layer. The infiltration path was widely monitored and four sampling campaigns were carried out in four different moments along a one-year study. Results from in situ redox potential measurements, temperature evolution, operating conditions (water levels, flow rate and infiltration rate), characterization of the organic matter and hydrochemical composition of water were collected and analyzed. Especially, operating conditions and redox potential, where it was observed that evolution in the first meter of the infiltration profile had been related to clogging development in the pond bottom. Finally, results from monitoring tasks were used as the basis to construct a flow and heat transport model simulating recharge process. The flow model included the decrease of hydraulic conductivity caused by clogging periods. In addition, a heat transport model was capable to calculate the modifications of hydraulic conductivity due to temporal temperature evolution. Taking into account results of heat transport model, two batch-type biogeochemical models were suggested to explain redox processes in winter and summer scenarios. Furthermore, models were capable to explain the fate of the different fractions of dissolved

La demanda d’aigua arreu del món es preveu que continuarà augmentant a causa de l'increment de la població i el seu desenvolupament. El canvi climàtic, a més, suposarà un agreujant, ja que es preveu que alterarà la periodicitat i intensitat de les precipitacions arreu. Tot aquest marc fa que la gestió sostenible dels recursos hídrics esdevingui tot un repte, especialment durant possibles episodis de sequera. La recàrrega induïda dels aqüífers representa uns solució vàlida per emmagatzemar aigua al subsòl, i per tant, assolir alguns dels reptes que la gestió de recursos hídrics presenta. La present tesi doctoral té com a objectiu l’estudi de processos microbiològics, biogeoquímics i físics relacionats amb les basses de recàrrega. Tot aquest coneixement ha permès detectar molts dels aspectes que afecten el correcte funcionament d’aquestes infraestructures, construint les bases per a poder optimitzar-ne el funcionament. S'han triat dos emplaçaments de recàrrega induïda a la Conca del Riu Llobregat com a marc d'investigació. La primera part de la tesi s'ha efectuat al sistema de recàrrega de Sant Vicenç dels Horts (Barcelona), on hi ha instal·lada una barrera reactiva que afavoreix la degradació de contaminants emergents. Allà, s’ha investigat el paper de les comunitats microbianes mitjançant un estudi de patrons microbiològics comparant dos escenaris diferents. S’ha avaluat la contribució de les comunitats microbianes sota els efectes prolongats de la recàrrega i amb la bassa parada. Aquest estudi confirma que els efectes de la recàrrega sobre la diversitat microbiana es podrien assimilar als predits per la Hipòtesi de la Pertorbació Intermèdia. Així mateix, la seqüenciació de les bandes més prominents ha revelat que les espècies principals de microorganismes que es trobaven sota els efectes de la recàrrega tenien capacitats degradatives. A continuació s’ha efectuat un estudi estadístic multivariant, englobant variables de tipus hidroquímic, de mida i distribució de gra en sòls, de tipus operacional i microbiològiques. S’han identificat doncs, les variables més rellevants que afecten les poblacions microbianes. A més, s’han detectat correlacions entre algunes variables hidroquímiques i espècies com ara desnitrificants o metanòtrofes. La segona part de la tesi ha estat emmarcada en el sistema de recàrrega de Castellbisbal (Barcelona). Aquest sistema inclou també una bassa d’infiltració, però sense l’efecte d’una capa reactiva. A Castellbisbal s’han estudiat els processos redox en tot el perfil d’infiltració, des de l’aigua d’infiltració fins a la zona saturada de sota la bassa, passant per la zona no saturada. Tot aquest perfil es va monitoritzar i es van dur a terme quatre campanyes de mostreig durant l’any sencer que ha durat l’estudi. La monitorització ha permès obtenir resultats d’evolució de potencial redox a diferents profunditats, de la temperatura i de tots els paràmetres d’operació (nivells, cabals i taxa d’infiltració). Les campanyes de mostreig han permès caracteritzar hidroquímicament les mostres així com també caracteritzar l’origen de la matèria orgànica present. La integració de tots aquests resultats, especialment pel que fa a la monitorització del potencial redox en el primer metre de sòl ha permès evidenciar la relació que tenen tots ells amb la colmatació al llit de la bassa. El model evidencia la importància de la temperatura en els paràmetres hidràulics. Partint d’aquesta base, s’han desenvolupat dos models biogeoquímics de tipus batch amb l’objectiu d’explicar els processos redox en dos escenaris estiu-hivern. Els models, a més, inclouen diferents fraccions de matèria orgànica dissolta: de caràcter làbil, recalcitrant i una tercera, d’immòbil. S’avaluen, doncs, els canvis en les taxes de degradació de la matèria orgànica a causa de les variacions de temperatura